鋁型材加工行業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)技術(shù)
1概述
雖然我國(guó)鋁型材產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)五年居世界首位，但鋁型材行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)與美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利等國(guó)家相比還存在較大的差距，節(jié)能減排任務(wù)重大。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）鋁型材行業(yè)的能耗與污染物排放情況
平均每生產(chǎn)1噸鋁型材消耗工業(yè)用水約16——18噸；表面處理產(chǎn)生的廢水中含有多種金屬雜質(zhì)離子；高能耗；產(chǎn)生大量廢渣，僅一條年產(chǎn)鋁型材2400噸的氧化著色生產(chǎn)線，每年產(chǎn)生污泥約15萬(wàn)噸，廢渣2000噸，數(shù)量極大。廢水污泥成份比較復(fù)雜，目前大多數(shù)工廠采用填埋的方法處理這些污泥。這不僅占用有限的土地資源，而且浪費(fèi)資源，污染環(huán)境。
（2）鋁型材行業(yè)高能耗與高污染的原因
①熔煉和回收：目前鋁熔煉爐中電爐占5％，油爐占91％，燃?xì)鉅t占4％，造成重熔生產(chǎn)1噸擠壓圓錠的油耗比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高55.17％，而實(shí)際鑄錠（軋制扁錠與擠壓圓錠）的平均熔煉能耗比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高得多。另外，鋁熔煉爐能耗的總體狀況還是處于中低水平。
②鑄造、軋制和擠壓：缺乏高檔次產(chǎn)品；小機(jī)臺(tái)多，擠壓裝備較落后，效率低；裝備的自動(dòng)化程度低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)等溫快速擠壓，生產(chǎn)精密型材；模具質(zhì)量欠佳。
③表面處理：表面處理是鋁加工過(guò)程中的高耗電、高耗水、高污染的環(huán)節(jié)。
節(jié)能減排成為當(dāng)今鋁加工企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題，本文從熔鋁爐、保溫爐、擠壓機(jī)棒爐、氧化處理污泥深加工利用等方面出發(fā)，提出一些新方法和策略，從而使鋁加工企業(yè)達(dá)到節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的目的。
2熔鋁爐的節(jié)能減排與清潔生產(chǎn)技術(shù)
2.1熔鋁爐工作過(guò)程
熔鋁爐的熔煉過(guò)程大致可分為4個(gè)階段，即爐料裝入到軟化下榻、軟化下榻至爐料化平、爐料化平到全部熔化（該階段產(chǎn)生氧化浮渣）、鋁液升溫。對(duì)鋁料的加熱是通過(guò)燒嘴火焰的對(duì)流傳熱、火焰和爐墻的輻射傳熱以及鋁料間的傳導(dǎo)傳熱來(lái)完成的。
在整個(gè)過(guò)程中，三者之間的比率是不斷變化的。固態(tài)時(shí)鋁的黑度小，導(dǎo)熱能力強(qiáng)。隨著熔煉過(guò)程的進(jìn)行，爐料進(jìn)入半液半固的臨界狀態(tài)，其導(dǎo)熱能力下降，熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了根本性的變化。液態(tài)鋁的導(dǎo)熱能力僅為固態(tài)鋁的40％，熔池上部向底部的傳導(dǎo)傳熱過(guò)程十分緩慢。金屬鏡面上漂浮的疏松浮渣構(gòu)成熱傳遞的絕熱阻擋層。此時(shí)熔池表面氧化膜化開(kāi)，失去了保護(hù)作用，氧化、吸氣傾向增強(qiáng)。對(duì)于火焰熔鋁爐來(lái)講，在鋁的熔化期，爐膛溫度一般控制在1200℃，此時(shí)的出爐煙氣溫度即為爐膛溫度，煙氣帶走的熱量約占爐子熱負(fù)荷的50——70％，考慮到10％的其它熱損失，有效熱利用只有30——40％，如果不充分利用這部分余熱，勢(shì)必會(huì)造成很大浪費(fèi)，使?fàn)t子熱效率很低。
綜上所述，選擇有效的強(qiáng)化加熱方式和回收煙氣余熱來(lái)預(yù)熱助燃空氣是提高爐子熱效率，確保熔煉過(guò)程中最少的直接燃料消耗的有效途徑。
2.2采用高溫空氣燃燒技術(shù)
高溫空氣燃燒改變了傳統(tǒng)燃燒方式，采用煙氣再循環(huán)方式或燃料爐內(nèi)直接噴射燃燒的方式，主要表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)陶瓷蜂窩體的助燃空氣被預(yù)熱至1000℃以上，以適當(dāng)?shù)乃俣葒娙霠t膛，在高速氣流卷吸、攪拌作用下與爐內(nèi)燃燒產(chǎn)物混和，空氣中21％的氧被稀釋，在低氧濃度（最低5％——6.5％）流體中燃燒，在高溫空氣條件下燃燒可實(shí)現(xiàn)低空氣系數(shù)燃燒，減少鋁的氧化燒損。
蓄熱式燃燒系統(tǒng)主要包括一對(duì)裝有蓄熱體的燃燒器、一套換向裝置、一套控制系統(tǒng)以及管路系統(tǒng)。
當(dāng)爐氣溫度為1000——1200℃時(shí)，助燃空氣溫度可預(yù)熱至800——1000℃，與使用間壁式空氣換熱器的燃油熔鋁爐相比可節(jié)約燃料50％左右。
燃燒器出口混合氣體實(shí)際噴出速度在60m/s左右，火焰長(zhǎng)度約2.5——3m，火焰直徑約0.5——0.7m。爐內(nèi)成對(duì)的燃燒器換向操作，高溫區(qū)頻頻互換，保證爐內(nèi)溫度均勻，不形成低溫區(qū)。
2.3高速燃燒器技術(shù)
對(duì)于在用的舊爐子來(lái)說(shuō)，花上30萬(wàn)元新增一對(duì)蓄熱式燃燒器，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)較難接受。
采用高速燒嘴的噴頭，燃?xì)庖?00m/s以上的高速噴向爐膛，助燃空氣以90m/s的速度參與助燃，對(duì)鋁堆產(chǎn)生強(qiáng)有力的沖擊作用，加速熔化，為了防止脫火，在燃?xì)獾膰娍诎仓昧艘恢婚L(zhǎng)明點(diǎn)火槍。
我們?cè)谙彰绹?guó)天時(shí)高速燃燒器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了性能優(yōu)異的高速燃燒器，煙氣流速可達(dá)到180m/s，負(fù)荷調(diào)節(jié)比達(dá)到1：20，過(guò)？諝庀禂(shù)可在0.65——10.8之間調(diào)節(jié)。
高速氣體燃燒器的技術(shù)特點(diǎn)如下：
a）精確組織燃燒，燃燒效率99.9％；
b）寬運(yùn)行工況：熱負(fù)荷調(diào)節(jié)比1∶20，空氣系數(shù)0.5——10；
c）采用分級(jí)燃燒，有害氣體（NOx）排放符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；
d）具有煙氣引射回流功能，可以將廢煙氣從爐后引回重新投入爐內(nèi)；
e）全金屬結(jié)構(gòu)，連續(xù)使用壽命3年。
2.4熔鋁爐自動(dòng)控制技術(shù)
控制系統(tǒng)是改善燃燒、降低能耗、保證工藝要求、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)量的重要保證，最終的目的是要實(shí)現(xiàn)燃燒設(shè)備流量、溫度、壓力、氣氛等參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)及過(guò)程控制。
2.4.1爐壓自動(dòng)調(diào)節(jié)控制
合理的火焰爐應(yīng)實(shí)現(xiàn)微正壓操作。
3擠壓機(jī)棒爐節(jié)能技術(shù)
擠壓機(jī)棒爐的能耗占鋁加工企業(yè)總能耗的12——20%。擠壓機(jī)棒爐大體可分為三種，單棒爐、多棒爐和短棒爐。圖片分別見(jiàn)圖3—1、圖3—2、圖3—3。
根據(jù)理論計(jì)算，將1t鋁棒加熱到450℃，只需要13m3天然氣（爐子熱效率100%），考慮到爐子熱效率和間歇加熱的生產(chǎn)工藝，加熱爐熱效率假定為60%，也最多消耗天然氣22 m3/t鋁棒，折合成產(chǎn)品能耗為26m3/t產(chǎn)品。然而，目前鋁棒加熱爐的產(chǎn)品能耗折合為天然氣為45m3/t產(chǎn)品，有的甚至高達(dá)70m3/t產(chǎn)品以上。節(jié)能空間仍然很大。
3.1單棒爐節(jié)能技術(shù)
3.1.1改造爐膛
根據(jù)理論計(jì)算，現(xiàn)爐膛容積熱強(qiáng)度大大低于工業(yè)爐的標(biāo)準(zhǔn)，爐膛太大，爐內(nèi)溫度低，對(duì)燃燒不利，要求達(dá)到一定的容積熱強(qiáng)度就必須增加燃燒功率，這樣勢(shì)必會(huì)加大單位產(chǎn)品的燃?xì)庀。我們采取減小爐膛容積和增加拱頂磚的方式改造爐膛。
3.1.2更換燃燒器
將現(xiàn)有直流燃燒器全部更換為好易燃公司生產(chǎn)的專利產(chǎn)品—旋流燃燒器（二代）。增加火焰剛度，提高火焰溫度，加強(qiáng)傳熱效果。
（1）旋流燃燒器工作原理
燃燒器中裝有各種型式的旋流發(fā)生器(簡(jiǎn)稱旋流器)。燃料與空氣混合氣流通過(guò)旋流器時(shí)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從噴口射出后形成旋轉(zhuǎn)射流。利用旋轉(zhuǎn)射流，能形成有利于著火的高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，并使氣流強(qiáng)烈混合。
（2）好易燃旋流燃燒器結(jié)構(gòu)
旋流噴嘴，跟傳統(tǒng)的長(zhǎng)棒熱剪爐噴嘴相比，具有火焰剛度大、傳熱動(dòng)力大、燃燒效率高等特點(diǎn)。
3.1.3取消循環(huán)風(fēng)機(jī)
擠壓機(jī)棒爐在有循環(huán)風(fēng)機(jī)的情況下，爐膛負(fù)壓過(guò)高，吸入的冷風(fēng)量大，噴嘴嚴(yán)重脫火，大大降低了爐子的熱效率。
取消循環(huán)風(fēng)機(jī)后，爐膛可以運(yùn)行在微正壓狀態(tài)，保證爐子的安全、
經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。還可以節(jié)約電費(fèi)45000——66000元/臺(tái).年。
根據(jù)我們的改造經(jīng)驗(yàn)，Φ180mm以下的棒爐可以取消循環(huán)風(fēng)機(jī)，Φ180mm以上的棒爐不適宜取消循環(huán)風(fēng)機(jī)，而是采用板式換熱器充分利用煙氣余熱加熱助燃空氣，提高加熱爐整體熱效率。
3.1.4加裝氧氣檢測(cè)儀
為了更加準(zhǔn)確的調(diào)整燃燒，精確控制空燃比，擺脫憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)試的被動(dòng)局面，在文丘里混合器后面的管道上安裝氧氣檢測(cè)儀，氧氣檢測(cè)儀連續(xù)將氧含量的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC，PLC根據(jù)設(shè)定的空燃比數(shù)據(jù)調(diào)整燃?xì)夂涂諝庹{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，使氧含量始終保持在合適的比例，確保精確組織燃燒。
3.1.5加強(qiáng)保溫
爐膛改造后，在火嘴磚和頂蓋磚的外部采用新興保溫材料加強(qiáng)保溫，是爐壁溫度降低到80℃以下，減少散熱損失。
2010年以來(lái)，我們已經(jīng)對(duì)80多臺(tái)單棒爐進(jìn)行了節(jié)能改造，最好的節(jié)能49%，最差的也達(dá)到了12%。我們對(duì)客戶均承諾經(jīng)過(guò)我們節(jié)能改造后，燃?xì)夤?jié)能率達(dá)到10%以上。
3.2多棒爐節(jié)能技術(shù)
3.2.1改造燃燒室
將多棒爐出棒側(cè)改造成燃燒室，取消原燃燒機(jī)系統(tǒng)，利用高速燃燒器作為熱源設(shè)備，將高速燃燒器的高速氣流直接噴入燃燒室，減少與空氣的換熱過(guò)程。
為了避免火焰直接接觸鋁棒，導(dǎo)致熔棒事故發(fā)生，在燃燒器火焰
底部鋪設(shè)一塊耐火隔板，使火焰高速擴(kuò)散到爐膛的各個(gè)角落。
3.2.2利用高速燃燒器
與熔鋁爐近似。
3.2.3取消熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)
將燃燒室進(jìn)行改造后，將循環(huán)風(fēng)機(jī)、燃燒機(jī)、原燃燒室全部取消，為了減少改造工作量，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不予改變，只將原循環(huán)風(fēng)道堵死即可。這樣不但節(jié)省了風(fēng)機(jī)與燃燒機(jī)的投資，還節(jié)約了因循環(huán)風(fēng)機(jī)帶來(lái)的電力消耗。
3.2.4爐壓控制系統(tǒng)
爐膛溫度控制、排煙溫度與爐壓控制是密不可分的。首先，規(guī)定燃燒室的壓力范圍為10——20Pa，煙囪上安裝一塊擋板，爐壓高時(shí)，擋板開(kāi)度加大，反之，減小。在爐壓的正常范圍內(nèi)，根據(jù)爐膛溫度尤其是排煙溫度調(diào)節(jié)擋板開(kāi)度。這就是所謂的串級(jí)控制。
3.2.5增加板式空預(yù)器
為了保證排煙溫度保持在150℃左右，充分利用煙氣余熱，在煙囪底部加裝一臺(tái)空氣預(yù)熱器，將助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，提高燃燒溫度、降低過(guò)剩空氣系數(shù)、提高棒爐效率、降低燃?xì)庀摹?/p>
我們?yōu)槟充X加工企業(yè)所做的多棒爐節(jié)能改造效果顯著，原噸產(chǎn)品消耗天然氣53m3，改造后僅為31.8m3，節(jié)能率達(dá)到了40%，且提高了爐膛溫度均勻性，加熱時(shí)間大大縮短，提高了設(shè)備生產(chǎn)率。
3.3短棒爐節(jié)能技術(shù)
短棒加熱爐是一種對(duì)流式加熱爐，見(jiàn)圖3—9所示。利用燃燒機(jī)燃燒產(chǎn)生的高溫氣體對(duì)鋁棒進(jìn)行對(duì)流加熱。
該鋁棒加熱爐爐膛內(nèi)設(shè)置熱電偶，控制爐膛溫度以滿足鋁棒加熱的要求，由于控制系統(tǒng)為脈沖控制即溫度超過(guò)設(shè)定溫度后，燃燒機(jī)停止工作，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，燃燒機(jī)要對(duì)爐內(nèi)吹冷風(fēng)幾十秒鐘才點(diǎn)火，這樣就影響到了爐子的熱效率，增加了能耗。另外，該燃燒機(jī)對(duì)空燃比不能自動(dòng)控制，一般都是大空燃比運(yùn)行，導(dǎo)致能耗增加。
3.3.1采用高速燃燒器替代燃燒機(jī)（見(jiàn)多棒爐）
3.3.2增加自動(dòng)控制系統(tǒng)
（1）加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成
加熱爐溫度控制系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖3—10所示，它由PLC主控系統(tǒng)、移相觸發(fā)模塊、整流器SCR、加熱爐、傳感器等5個(gè)部分組成。
短棒加熱爐是由爐膛溫度作為溫度控制指標(biāo)，預(yù)先設(shè)定爐膛溫度為相應(yīng)溫度。
3.3.3取消循環(huán)風(fēng)機(jī)
短棒加熱爐一般都配置1——4臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)，試圖使?fàn)t膛溫度均勻，提高煙氣流速。
（1）取消循環(huán)風(fēng)機(jī)
更換為高速燃燒器以后，因?yàn)楦咚偃紵鲊姵鏊俣雀，?duì)爐膛內(nèi)的氣氛具有強(qiáng)烈的攪拌作用，不用風(fēng)機(jī)就能保證爐膛溫度均勻，因此，完全可以取消循環(huán)風(fēng)機(jī)，以節(jié)省電耗。
（2）改造爐膛底部的燃燒室
縮小底部爐膛體積，保持煙氣流速。用特制耐火磚將爐膛縮小，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向按照從小到大的順序向上部開(kāi)孔，以保證對(duì)鋁棒均勻加熱。
通過(guò)對(duì)某鋁加工企業(yè)的短棒爐進(jìn)行的節(jié)能效果來(lái)看，燃?xì)夤?jié)能率達(dá)到10——35%以上。
4氧化污泥深加工技術(shù)
鋁型材表面處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的膠體狀廢液，經(jīng)沉淀處理后俗稱污泥，進(jìn)一步脫水后即為含鋁廢渣。這種廢渣數(shù)量極大，僅一條
年產(chǎn)鋁型材2400t的氧化著色流水線，每年產(chǎn)生污泥約15萬(wàn)t，廢渣2000 t，因此綜合利用意義重大。
鋁型材廢水處理工藝原理簡(jiǎn)單，操作、管理方便。目前存在的問(wèn)題是廢渣的處理，鋁材污泥經(jīng)壓濾機(jī)脫水后仍含較多的氫氧化物，隨便處置會(huì)造成二次污染。實(shí)際上鋁材廢水的沉淀物含有大量的氫氧化鋁，如果加以開(kāi)發(fā)利用，生產(chǎn)活性氧化鋁產(chǎn)品，具有廣泛的用途。
4.1氧化污泥生產(chǎn)活性氧化鋁工藝
工藝流程見(jiàn)圖4—1。用流態(tài)化爐焙燒，將濕氫氧化鋁先送入斯德干燥機(jī)，再送入流態(tài)化焙燒爐，噴入燃料焙燒成氧化鋁，經(jīng)過(guò)造粒、養(yǎng)生、活化、分級(jí)后，即為最終產(chǎn)品。
5結(jié)論
通過(guò)對(duì)鋁加工行業(yè)熔鋁爐、棒爐的節(jié)能技術(shù)改造，對(duì)氧化污泥的深加工利用進(jìn)行研究，總結(jié)了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也達(dá)到了一定的效果。但是，因?yàn)殇X加工企業(yè)訂單大多較飽滿，很少能有充裕的時(shí)間進(jìn)行徹底的節(jié)能改造，還有不少的節(jié)能空間。建議鋁加工企業(yè)提高節(jié)能意識(shí)，充分認(rèn)識(shí)到節(jié)能減排不僅僅是國(guó)家為了完成國(guó)家公約而制定的強(qiáng)硬措施，而且對(duì)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、提高企業(yè)管理水平、提高企業(yè)技術(shù)裝備水平同樣具有重要的意義。
